(57)【要約】【課題】  感度が優れた半導体変位検出素子および検出器を提供する。【解決手段】  導電性半導体２を加工して作製した片持ち梁１１を有し、導電性半導体２の抵抗値の変化により、片持ち梁１１の弾性的な変形を検出する半導体変位検出素子において、導電性半導体２は、III−Ｖ族窒化物半導体である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性半導体（２）を加工して作製した梁、あるいは、導電性半導体（２）をその一部として含む梁を有し、前記導電性半導体（２）の抵抗値の変化により、前記梁の弾性的な変形を検出する半導体変位検出素子において、
前記導電性半導体（２）は、III−Ｖ族窒化物半導体であることを特徴とする半導体変位検出素子。
【請求項２】
半導体（２２）を加工して作製した梁、あるいは、半導体（２２）をその一部として含む梁を有し、変形により前記半導体（２２）に加わった歪によるピエゾ電圧を計測することにより、前記梁の弾性的な変形を検出する半導体変位検出素子において、
前記半導体（２２）は、III−Ｖ族窒化物半導体であることを特徴とする半導体変位検出素子。
【請求項３】
前記半導体は、２種類以上のIII−Ｖ族窒化物半導体薄膜のヘテロ構造によって形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体変位検出素子。
【請求項４】
請求項１から３に記載の半導体変位検出素子と等価な構造をその全部あるいは構成要素として含む検出器であって、
力、加速度、磁気、電荷、質量、分子、および原子の１つによって、前記梁に弾性的な変形を発生させる発生手段を有することを特徴とする検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、民生機器用素子として用いられる半導体素子に関し、特に、梁の弾性的な変形を検出することにより、梁先端の変位および力、加速度、磁気、電荷、質量、分子、原子を高感度に検出する半導体変位検出素子および検出器に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体変位検出素子は、リソグラフィーに代表される半導体微細加工技術を用い、シリコン等の半導体薄膜を梁状に加工して作製される。こうした半導体変位検出素子は、梁の弾性的な変形を検出することにより、梁に加わった微小な力を検知する、メカニカルな変位検出素子である。半導体変位検出素子は、走査型プローブ顕微鏡のカンチレバーや加速度センサーなど、民生機器用素子として広く用いられている。
【０００３】
このような半導体変位検出素子では、特に、
１．ピエゾ抵抗型変位検出素子
２．圧電型変位検出素子
の２つのものが、光学系等の外部部品を必要としない、自己検知型センサーとして、広く用いられている（非特許文献１、２）。ピエゾ抵抗型変位検出素子は、梁の表面に形成した導電性半導体薄膜の抵抗値の変化を測定することにより、梁の弾性的変位を検出し、圧電型変位検出素子は、梁の構成部品の全部あるいは一部である半導体素片から発生する歪によるピエゾ電圧を測定することにより、梁の弾性的変位を検出する。これらの半導体変位検出素子は、梁の弾性変形を用いる、あらゆる高感度センサーの基本素子として重要である。
【０００４】
自己検知型センサーの一例を図４に示す。図４の自己検知型センサーは、絶縁性Ｓi薄膜１０１、導電性Ｓi薄膜１０２、および電極１０３、１０４を備えている。この自己検知型センサーは、絶縁性の高いＳi半導体（絶縁性Ｓi薄膜１０１）上に、導電性を持つシリコン薄膜（導電性Ｓi薄膜１０２）を、不純物の拡散などのドーピング手法を用いて形成して作製した変位検出器である。絶縁性Ｓi薄膜１０１は絶縁性を持つＳi層である。導電性Ｓi薄膜１０２は、絶縁性Ｓi薄膜１０１の上にドーピングにより形成した、導電性を持つＳi薄膜層である。電極１０３、１０４は、導電層である導電性Ｓi薄膜１０２に電流を注入するために用いる、オーム型の電極である。絶縁性Ｓi薄膜１０１および導電性Ｓi薄膜１０２が梁状に加工されて、片持ち梁１１１が形成されている。
【０００５】
この自己検知型センサーでは、片持ち梁１１１の先端に力が加わり、片持ち梁１１１がしなると、導電性Ｓi薄膜１０２は面内の歪を受ける。たとえば、片持ち梁１１１が下向きにしなると、導電性Ｓi薄膜１０２は引っ張り応力を受け、体積が膨張する。この体積膨張に対し、変形ポテンシャル効果および圧電効果により、シリコン薄膜の抵抗値は変化する。したがって、電極１０３と電極１０４との間の抵抗値の変化を、配線１０５・１０６に電流を流して検出することにより、片持ち梁１１１のしなりを検出し、片持ち梁１１１に加わった力を検出することが可能である。
【非特許文献１】アプライド・フィジックス・レター誌、６２巻、８号、１９９３年、８３４−８３６頁（Applied Physics Letter, Volume62, No.8, 1993 pp.834-836）
【非特許文献２】アプライド・フィジックス・レター誌、６４巻、１９９４年、３７−３９頁（Applied Physics Letter, Volume64, 1994 pp.37-39）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前記の自己検知型センサーには次の課題がある。通常用いられているこのような自己検知型変位検出器は、半導体薄膜の変形ポテンシャル効果、ならびに圧電効果を用いている。また、一般に半導体には表面準位や界面準位に起因するｆ分の１雑音（１／ｆ雑音）が多いという問題点がある。このため、雑音に対する抵抗値の変化量、すなわち対雑音信号比が小さく、レーザー干渉計などを用いた変位センサーを応用した変位検出器に比較して、感度が低いという問題点がある。
【０００７】
実際、前記の非特許文献１に、M. Tortoneseらにより報告されているように、導電性Ｓi薄膜のピエゾ抵抗効果を用いて作製した変位検出器の感度は、１ｋＨｚにおける変位量に換算して２×１０−４ｎｍＨｚ−１／２程度であり、市販のレーザードップラー干渉計を用いた場合の値１×１０−６ｎｍＨｚ−１／２に比べて、２桁以上低い。
【０００８】
本発明は、前記の課題を解決し、感度が優れた半導体変位検出素子および検出器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するために、請求項１の発明は、導電性半導体を加工して作製した梁、あるいは、導電性半導体をその一部として含む梁を有し、前記導電性半導体の抵抗値の変化により、前記梁の弾性的な変形を検出する半導体変位検出素子において、前記導電性半導体は、III−Ｖ族窒化物半導体であることを特徴とする半導体変位検出素子である。
請求項２の発明は、半導体を加工して作製した梁、あるいは、半導体をその一部として含む梁を有し、変形により前記半導体に加わった歪によるピエゾ電圧を計測することにより、前記梁の弾性的な変形を検出する半導体変位検出素子において、前記半導体は、III−Ｖ族窒化物半導体であることを特徴とする半導体変位検出素子である。
請求項３の発明は、請求項１または２に記載の半導体変位検出素子において、前記半導体は、２種類以上のIII−Ｖ族窒化物半導体薄膜のヘテロ構造によって形成されていることを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項１から３に記載の半導体変位検出素子と等価な構造をその全部あるいは構成要素として含む検出器であって、力、加速度、磁気、電荷、質量、分子、および原子の１つによって、前記梁に弾性的な変形を発生させる発生手段を有することを特徴とする検出器である。
【００１０】
前記の構造を用いることにより、梁の変位を従来より高感度に測定できる理由は以下のとおりである。
【００１１】
一般に、半導体におけるｆ分の１雑音は、半導体内に存在する欠陥準位への電子の捕獲および放出により発生する。欠陥準位は、半導体の表面や界面、およびオーミック性電極との界面など、結晶性が不完全な部分に存在する。このような欠陥の生成頻度は、窒化物を含むIII−Ｖ族化合物半導体の使用によって、以下の理由により大幅に減少する。
【００１２】
ＧaＡsに代表される化合物半導体では、通常、表面や金属との界面において、フェルミ準位のピン留めといわれる現象がおきる。これは、これらの表面や界面における欠陥の生成エネルギーが、伝導帯中の電子が欠陥によって捕獲されることによるエネルギーの得に比較して小さいため、自発的に欠陥が発生してしまうメカニズムによる。
【００１３】
一方、III−Ｖ族窒化物半導体では、フェルミ準位のピン留めが起こりにくい。実際、英国ＩＯＰコンファレンスシリーズ第１７０号、２００２年、８３７−８４２頁（Institute of Physics Conference Series, Number 170, 2002 pp.837-842）にM. Konishiらにより報告されているように、前記のIII−Ｖ族窒化物半導体の１つであるＧaＮの表面フェルミ準位位置は、製法や表面の保護手法により大きく変化する。このことは、ＧaＮ表面ではフェルミ準位のピン留めは起こりにくいことを意味する。
【００１４】
フェルミ準位のピン留めが起こりにくい理由は、III−Ｖ族窒化物半導体では窒素原子の結合力が強く、極めて安定な結晶構造を持つため、欠陥を作ることが容易でないためである。すなわち、前記のＧaＡsなど他の化合物半導体と異なり、表面や界面における欠陥の生成エネルギーが、伝導帯中の電子が欠陥によって捕獲されることによるエネルギーの得に比較して大きいため、自発的に欠陥が形成されないという事実がある。これは、例えばIII−Ｖ族窒化物半導体の融点が極めて高いという事実からも理解できる。
【００１５】
前記の事実は、III−Ｖ族窒化物半導体を用いて作製した電子素子においては、欠陥準位密度が低い、言いかえれば電子が前記の欠陥準位に捕獲あるいは放出される頻度が低いことを意味する。すなわち、III−Ｖ族窒化物半導体を用いて作製した電子素子においては、ｆ分の１雑音が小さい。したがって、III−Ｖ族窒化物半導体を用いて作製したピエゾ抵抗型変位検出器、あるいは同様に微小な変位の検出素子として用いられているピエゾ電圧型変位検出器においては、対雑音信号比が大きく向上する。
【００１６】
また、別の効果として、一般にIII−Ｖ族窒化物半導体には、圧電係数が他の化合物半導体に比較して数倍大きいという特徴があり、この特徴も対雑音信号比を大きく向上させる要因となっている。これらの２つの特徴から、本発明を用いることにより、対雑音信号比が大きい優れた感度の変位検出素子を作製することが可能である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、梁を構成する材料として、III−Ｖ族窒化物半導体を用いることにより、対雑音信号比の大きく、感度の優れた半導体変位検出素子および検出器を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
つぎに、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
［実施形態１］
図１は、梁を構成する薄膜として、III−Ｖ族窒化物半導体であるＧaＮを用いた、本発明の実施形態１を示す模式図である。図１の半導体変位検出素子は、ピエゾ抵抗変位検出素子であり、絶縁性ＧaＮ薄膜１と、ｎ型ＧaＮ薄膜２と、電極３、４とで構成されている。絶縁性ＧaＮ薄膜１は、分子線エピタキシを用いて成長した高抵抗のＧaＮ結晶層である。ｎ型ＧaＮ薄膜２は、同じく分子線エピタキシを用いて、絶縁性ＧaＮ薄膜１上に成長した導電性ｎ型ＧaＮ層である。電極３、４は、導電層であるｎ型ＧaＮ薄膜２に電流を注入するために用いるオーム型の電極であり、電極３、４には、配線５、６が接続されている。絶縁性ＧaＮ薄膜１およびｎ型ＧaＮ薄膜２は尖塔形の梁状に加工されて、片持ち梁１１が形成されている。
【００１９】
本実施形態による半導体変位検出素子は前記の構成である。III−Ｖ族窒化物半導体のＧaＮ薄膜からなる片持ち梁１１にたわみを加えると、変形ポテンシャル効果によりｎ型ＧａＮ層であるｎ型ＧaＮ薄膜２のバンドギャップの大きさが変化し、また、圧電効果によりｎ型ＧaＮ層表面近傍のバンドの曲がりが変化する。これらの２つの効果は、ＧaＮ薄膜内の電子面密度および移動度を変化させる。特に、通常、ＧaＮの結晶成長が起こりやすいｃ軸方向に沿っては圧電効果が最も大きく、ＧaＮ自体が持つ大きな圧電効果とあいまって、ｎ型層であるｎ型ＧaＮ薄膜２の電子面密度は大きく変化する。この電子面密度および移動度の変化は、電極３と電極４との間の抵抗値を変化させる。すなわち、ピエゾ抵抗が発生する。このピエゾ抵抗により、片持ち梁１１の変形が高感度に検出される。
【００２０】
図２は、前記のようにして作製したピエゾ抵抗変位検出素子、つまり本実施形態による半導体変位検出素子の雑音分布を、検出感度の単位で規格化して示したものである。前記構成の半導体変位検出素子による雑音分布を特性ａで示す。比較のために、同様の構造を、ＧaＡsを用いて作製した場合を特性ｂで示す。図２から明らかなように、ＧaＮを用いたピエゾ抵抗変位検出素子においては、特性ａに示すように、ｆ分の１雑音のレベルが、特性ｂに比較して一桁程度小さい。このことは、ＧaＮにおいては電子の欠陥準位への捕獲および放出頻度が小さいことを意味している。なお、ｆ分の１雑音は、特性ａ、ｂに示すように、周波数が高くなる程、レベルが低下する雑音である。
【００２１】
［実施形態２］
図３は、III−Ｖ族窒化物半導体であるＩnＧaＮとＧaＮとを用いた、本発明の実施形態２を示す模式図である。図３の半導体変位検出素子は、圧電式変位検出素子であり、ｎ型ＩnＧaＮ層２１、２３と、ＧaＮ層２２と、電極２４、２５とで構成されている。ｎ型ＩnＧaＮ層２１は、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）を用いて成長した導電性ｎ型ＩnＧaＮ結晶層である。ＧaＮ層２２は、同じく高抵抗のＧaＮ結晶層である。ｎ型ＩnＧaＮ層２３は、同じく導電性ｎ型ＩnＧaＮ結晶層である。これら３層（ｎ型ＩnＧaＮ層２１、２３、ＧaＮ層２２）は、ヘテロ接合構造を形成している。電極２４、２５は、導電層であるｎ型ＩnＧaＮ層２１、２３に発生する電圧を測定するために用いるオーム型の電極である。電極２４、２５には、配線２６、２７が接続されている。前記の３層は長方形の梁状に加工されて、片持ち梁３１が形成されている。
【００２２】
本実施形態による半導体変位検出素子は前記の構成である。III−Ｖ族窒化物半導体のＩnＧaＮ／ＧaＮヘテロ構造から作製した片持ち梁３１にたわみを加えると、圧電効果によりＧaＮ層２２にピエゾ電界が発生する。この電界はｎ型ＩnＧaＮ層２１およびｎ型ＩnＧaＮ層２３の２層のｎ型ＩnＧaＮ間に電圧となって現われるため、電極２４と電極２５との間の電圧を、配線２６および配線２７を通じて測定すれば、片持ち梁３１のしなりを検出できる。
【００２３】
ここで、結晶中の欠陥準位への電子の捕獲・放出が起きると、それによりピエゾ電界は打ち消されてしまい、電極２４、２５間への電圧となって現れない。本実施形態では、III−Ｖ族窒化物半導体を用いることにより、このような界面や表面における欠陥の影響が小さく、感度の高い変位検出素子が作製できる。
【００２４】
［実施形態３］
実施形態１、２では、検出する対象が、半導体変位検出素子に加えられる力の場合についてのみ示したが、本実施形態では、実施形態１、２の半導体変位検出素子を用いた検出器について説明する。本実施形態では、半導体変位検出素子の片持ち梁の先端近傍に、磁性材料を設ける。この構成によれば、検出素子に磁気が加えられると、磁性材料を備える片持ち梁が変位するので、磁気の検出が可能である。なお、この場合には、弾性的な変形を発生させる発生手段が磁気材料である。
【００２５】
また、前記の磁性材料の代わりに、片持ち梁の先端近傍に導電体を設け、さらに、半導体変位検出素子に電界を加える。この構成によれば、片持ち梁の導電体が帯電すると、電界により片持ち梁がしなる。この結果、片持ち梁の導電体に帯電した電荷を検出することができる。この場合には、前記の発生手段が導電体および電界である。
【００２６】
また、半導体変位検出素子の片持ち梁の先端近傍の質量変化により、片持ち梁の共振周波数が変化する。つまり、外部から加振した片持ち梁の共振周波数の変化を電気的に検出することにより、分子、原子、微小物質、微小粒子などの質量を検出することができる。この場合には、前記の発生手段が、片持ち梁の加振構造である。
【００２７】
さらに、片持ち梁の先端の変位や、素子全体が持つ加速度も、片持ち梁のしなりを引き起こすため、これらの変位や加速度の検出素子として、半導体変位検出素子を用いることができる。この場合には、前記の発生手段が片持ち梁自体である。
【００２８】
以上のように、実施形態１、２では、検出する対象が力、変位および加速度の場合のみを示したが、実施形態３に示すように、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、等価の構造を用い、磁気、電荷、質量、分子、原子などあらゆる種類の物理量や微小物質・粒子のメカニカル検出素子の作製が可能である。
【００２９】
以上、本発明の実施形態を詳述してきたが、具体的な構成は各実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、本発明に含まれる。たとえば、前記各実施形態においては、梁を構成する材料としてＧaＮあるいはＩnＧaＮを用いたが、あらゆる種類のIII−Ｖ族窒化物材料を用いることが可能であることは言うまでもない。
【００３０】
また、実施形態２に示したように、異なる種類のIII−Ｖ族窒化物半導体材料からなるヘテロ接合構造を用いることも可能である。
【００３１】
また、各実施形態においては、梁の形状として片持ち梁を用いたが、両持ち梁はもとより、コイルばねなど、加えられた力による弾性変形を引き起こす、あらゆる形状の半導体あるいは固体素片を用いることができることも明らかである。
【００３２】
また、各実施形態においては、薄膜や素片の弾性変形として「たわみ」が生じる場合を用いたが、他の弾性変形である「ねじり」、「圧縮」や「伸張」など、あらゆる種類の弾性変形を用いても、同様に高感度な検出素子の作製が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施形態１による半導体変位検出素子を示す斜視図である。
【図２】実施形態１であるＧaＮを用いて作製した半導体変位検出素子に対して測定した雑音分布を示す図である。
【図３】本発明の実施形態２による検出器を示す斜視図である。
【図４】絶縁性半導体上に導電層薄膜を形成して作製した、従来の半導体変位検出器を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００３４】
１  絶縁性ＧaＮ薄膜
２  ｎ型ＧaＮ薄膜
３、４  電極
５、６  配線
１１  片持ち梁
２１、２３  ｎ型ＩnＧaＮ層
２２  ＧaＮ層
２４、２５  電極
２６、２７  配線
３１  片持ち梁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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